佛山市南海区桂城街道办事处广东佛山528200
摘要：当前，小型泵站普遍存在着能耗高、效率低的现象，对其效能影响因素以及增效措施展开探讨十分必要。本文对小型泵站的能耗以及影响小型泵站效能的因素进行了分析，并提出了小型泵站的增效措施，以期能为小型泵站的节能改造提供参考。
关键词：小型泵站；影响因素；增效措施
引言
随着我国社会经济的快速发展，水利工程作为保障经济发展的重要基础设施，其工程建设数量也越来越多。其中，小型泵站作为一种将电能转化为水能的水利设施，具有灌溉、排涝、供水的重要功能，在我国农业发展中起到至关重要的作用。但是，当前小型泵站存在着效能低下的问题，对其增效措施展开探讨具有十分重要的意义。
1影响小型泵站效能的主要因素
1.1规划布局不合理
由于在小型泵站建设初期，没有对泵站规划布局进行合理的分析和论证，导致存在普遍规划不合理，建设地点和布局不合理，工程整体效益不高，利用率低，造成浪费，灌排能力不能满足需要等问题。
1.2设备选型不科学
①受水泵产品系列的限制，扬程档次大，这样就只能选用相近的泵型或规格，使泵站远离高效区运行；②电机与水泵不匹配，传动方式不经济，耗能高；③在供配电设备选型上没有充分考虑到投入、运行以及管理等方面的因素，致使运行、管理及维护成本高。
1.3优化设计不充分
①进出水池设计不周全、不规范，流态紊乱，导致水力损失大；②上下游河（渠）系设计未充分考虑到灌、排矛盾及周边水系的功能，从而造成在实际运行中灌排矛盾突出，水资源浪费严重；③对泵站拦污设施设置不够重视，因而导致有的泵站没有固定的拦污栅，有的拦污栅设计简单，发挥不了应有的作用。
1.4管护工作不到位
①对进水池泥沙淤积及水草堵塞的清理重视不够，从而影响到流态及机组的安全稳定运行，同时也影响到了效率的发挥；②对主设备维护工作不及时，主要是对水泵汽蚀与磨损部位修复不及时，致使水泵效率下降严重；③对电气设备的管理维护工作不到位，导致泵站工程难以安全运行、可靠性不高。
2小型泵站能耗分析
2.1输变电系统的能耗
输变电设施包括输电线路、变压器2个环节。
（1）输电线路能耗。输电线路的能耗与负荷大小、导线材料及规格、输电线路长短、电网功率因素及运行时间有关。
（2）变压器的能耗。据统计，在农村电网系统中，变压器的能耗占农用电网能耗的60%～70%，而其近一半是各级泵站变压器所致。变压器负载率越低，其效率就越低。
2.2电动机与传动装置的能耗
（1）电动机的能耗。电动机能耗主要包括铜损耗、铁损耗以及机械损耗3个部分。铜损耗包括定子铜损、转子铜损和杂散损耗。定子线圈电流密度越大铜损就越大，小型电动机的转子铜损也较大；杂散损耗是由磁通的高次谐波以及电流的集肤效应等引起的。铁损是由交变磁通在定子铁芯中引起的磁滞、涡流损耗。机械损耗主要是由于轴承、风阻等引起的。
（2）传动装置能耗。当水泵和电动机的额定转速基本相等（不大于2%），且同为立式或卧式机组时，宜采用直联传动，这种方式效率很高，但无法改变水泵的转速，因此，只适用于扬程变化很小的泵站。当电动机与水泵的转速、转向不同，电机轴与水泵轴不在同一直线上时，则采用间接传动方式。小型泵站以皮带传动为主，皮带传动的优点是具有弹性，可以缓和冲击、吸收振动，使运转平稳噪音低，过载时还能保护其他零件免受损坏。缺点是不能保证稳定的传动比，外形尺寸大，传动效率比直接传动低。平皮带传动比小（一般在5以内），传动效率一般在90%～93%，广泛用于单机功率小于40kW的小型泵站；三角皮带具有梯形断面，传动比大（一般达7～10），效率达95%。
2.3泵装置的能耗
泵装置是水泵、进出水管路及其附件的总称。
（1）水泵的能耗。水泵的能耗分机械损失、容积损失和水力损失3个部分。机械损失包括轴承、轴封等部位固定摩擦引起的摩擦损失，以及叶轮旋转时其盖板外侧及外缘与介质摩擦引起的圆盘损失；容积损失主要是流体在泵内的循环消耗，其大小与泵的流量大小及比转数高低有关。水力损失是指液体在泵内流动过程中产生的各种水力损失。
（2）管路及附件的能量损耗。包括沿程水头损失和局部水头损失。实验表明，沿程水头损失与流程长度成正比，与管径成反比。局部水头损失主要是指流体通过弯头、三通、缩节以及阀门等断面改变的管路附件所消耗的能量。
2.4进出水建筑物的能耗
（1）前池能耗。根据水流方向不同，分为正向进水前池和侧向进水前池，影响正向进水池流态的最为重要的因素是扩散角。一般而言，扩散角取20°～40°。当前池长度过短、实际扩散角α大于允许扩散角时，会大大增加水头损失并在前池中出现回流和漩涡，最终会影响到进水池的流态。侧向进水池的水流从引渠进入前池后，要经过90°转弯后再进入进水池，池中水流受离心力影响较大，有很大的回流区，水流紊乱容易在进水池中产生漩涡和环流，使进水管道入口流速极不均衡，对机组性能影响明显。
（2）进水池能耗。进水池的能耗主要是指以下2个方面：①进水池表面的漩涡和附壁漩涡的存在，会明显降低水泵效率并产生周期性的振动和噪音，影响水泵的性能和寿命。②回流对水泵性能的影响，当水泵叶轮与回流旋转方向相反时，相当于增加了水泵的扬程和功率，水泵效率下降；当水泵叶轮与回流方向相同时，水泵的扬程、功率、效率也会明显下降。
（3）出水池能耗。按水流方向，分为正向出水和侧向出水。正向出水水流平顺，能耗小；侧向出水会造成水位壅高，从而引起较大的水头损失。按出流方式，分为淹没出流、自由出流、虹吸出流、溢流堰出流等形式。淹没出流主要靠逆止阀和拍门来防止机组停机后水倒流而引起机组反转，但逆止阀和拍门的阻力损失较大；自由出水型式增加了出水池的水头损失，同时也改变了水泵的工作点，从而导致装置效率降低；虹吸式出水管路阻力小，适用于水位存在有一定变幅的泵站；溢流堰出流则适用于水位稳定的出水池，流速不大，水头损失也不大。
（4）拦污栅能耗。拦污栅的水头损失包括栅条对水流阻碍造成的水头损失及拦污栅拦截的污物造成的局部水头增加。许多泵站是利用流道隔墩做支墩，如果将拦污栅设置在进水流道进口处，那么就会造成流道内的流速不均匀，同时也导致垂直设置的拦污栅不便清污、加重堵塞、减少进水流道过水断面、影响流态，并会使水泵的进水条件恶化，从而引起汽蚀性能变坏，同时堵塞也会使过栅水头损失加大。影响拦污栅水头损失的因素有很多，除了与拦污栅的形式、倾角、栅条形状、厚度和间距有关以外，还与流速的大小、杂物的种类和密度以及是否及时清除等因素有关。
2.5输水渠的能耗
输水渠道的能耗包括水力损失和水量损失2个部分。当水流从水源经引水渠流入泵站的进水池时，会有一水面降落Δhj，水流从泵站的出水池经干渠流向灌区用户时，会有水面降落Δhc；当水源水位和灌区高程一定时，Δhj、Δhc的增大都会使泵站的净扬程增加。由于输水河（渠）沿程的蒸发和渗漏带来的水量损失，也造成了大量的水资源浪费。
3小型泵站增效措施
3.1规划设计过程中的节能考虑
在泵站规划及选址上，应当充分考虑到泵站上下游河（渠）系与灌、排功能及周边水系的关系，以便规避实际运行中的灌排矛盾，避免水资源的浪费，同时还应当做好以下几个环节的设计。
3.1.1输电线路节能
（1）合理选择输电线路导线截面。导线截面越大，则电阻越小，电能损耗也越小；但导线截面越大，线路造价也越高。按照经济电流选择电线（缆）截面的原理，国际电工委员会（IEC）制定了《电力电缆的线芯截面最佳化》（IEC287－3－2/1995）标准。与根据允许电压损失和长时间允许电流这2种方法相比，按照这个方法所选择的导线线损失比要低35%～42%。
（2）变压器与电动机的距离。应当尽可能地缩短变压器与电动机的距离并考虑该地区灌排泵站的综合布置，以实现该区域更大范围输电线路的优化配置，以及实现输电线路综合能耗的最小化。根据研究，认为小型电力排灌站的低压线路布置宜采用放射形，这样才最为合理。对泵站变压器应尽量在泵站附近设置专用变压器，而且也不接其他负荷，以便在非灌排季节停用。
（3）提高电网功率因素。提高功率因素的方法可以从以下3个方面着手：①合理选择变压器容量，不宜过大；②合理选择电动机容量，使电动机在接近满载的工况下运行；③装配并联电容器以提高功率因素，改善供电质量并降低线路、变压器及电动机的能耗。
3.1.2变压器节能
（1）选择节能型变压器。目前主要有S11、非晶合金等新型节能变压器，与传统的交错式接缝叠铁芯工艺相比，其性能有明显改善，损耗降低80%左右。
（2）选择容量合适的变压器。当变压器在运行的过程中铁损等于铜损时，变压器效率最高。变压器容量的选择，应当能够保证泵站在大多数组合运行工况条件下均能在最佳负载率附近运行，以提高变压器的运行效率。同时还应考虑到临界负载系数，并按照相关规定进行技术与经济分析，以确保变压器容量选择的经济性和可靠性。
3.1.3电动机节能
（1）合理选择电动机的容量。与所选的泵型要配套，考虑到传动效率、电动机发热、电动机容量差等因素，所选电动机的容量应当比理论计算的要略大一些。研究表明，80%的满载时，电动机的运行效果最佳。平均负载在70%以上时，电动机的容量是合适的。
（2）提高电动机负载率，尽可能使电动机满负荷运行。根据电动机负载与效率的关系，电动机在额定负荷下运行效率最高、功率因素也比较高。目前广泛应用的JO2系列电动机负载率在60%～80%范围内，Y系列电动机负载率在70%～90%范围内运行时效率最高。
（3）变速运行。针对进出水池水位变动、水泵选型失当等因素造成的电动机不在高效区运行的状况，可以采用变速运行的方法以使机组在高效区运行。
3.1.4传动装置的节能
采用直联时，可选用新型可调速磁力联轴器以实现水泵的调速运行。
采用皮带传动方式时，应配备不同轮径的皮带轮，并根据内、外河水位来选用最优轮径的皮带轮。皮带的选用可以从以下几方面着手。
（1）选择节能型皮带。比如低棱V皮带、V提升皮带、带牙的L型皮带以及高负荷用楔式皮带。
（2）合理选择皮带类型及轮径。选择皮带类型和轮径时既要考虑传动效率，还要比较传动装置的初成本和累计运行费用以及动力机特性、环境条件等因素，从而达到降低运行费用的目的。
（3）根据工作负载合理选择皮带传动。根据皮带传动时负载与传动效率的关系，在额定传动负载时有96%的传动效率，在50%的额定负载时，传动效率则会降为93.5%。
3.1.5水泵的节能
水泵的节能首先要从泵型选择上入手。一般采用包络线选型法。
（1）初选。将泵站各运行时段的净扬程和总流量用点表示在图上（见图1）。若n台泵装置的并联性能曲线恰好能将图上所有点包容，而n－1台泵装置的并联性能曲线却不能（见图2），且泵在性能曲线上的任一点均可安全稳定地运行，则该泵型即为可行方案。一般而言，对于流量小于1m3/s的灌排泵站，可选用2台泵；当流量大于1m3/s时，则宜选的机组应不少于3台泵。
（2）优选。根据泵站排灌流量与净扬程变化规律，分别对初选方案求解任一运行时段泵站的运行费用，确定不同方案的年运行费用；再利用年运行费用计算泵站使用周期内的总运行费用并折算成现值，与土建设备投资相加，可得到方案所需的投资运行总费用，费用最小者即为最优方案。
在同等条件下，应优先选择新开发的节能水泵，比如大口径的潜水电泵、S型及SA型双吸离心泵（比常用的Sh型效率高3%～6%，流量增加5%～8%）。在确定水泵安装高程时，需要保证在水源条件发生变化的情况下，水泵的淹没深度必须符合要求，以避免漩涡的发生，降低能耗。
3.1.6管路的节能
（1）进水管路节能。主要措施有采用经济管径、取消底阀、减少管路转弯、使用流线型渐缩管等。
管径加大，管道阻力会降低，耗电量及年运行费用降低，但管道的一次性投资大。管径小，一次性投资小，但管道损耗大。因此要选用经济管径，一般用经验公式法来加以确定。一种是根据经济扬程、流量来确定经济管径D=；一种是根据经济流速来确定经济管径，当H净＜50时，D=（0.923～0.799）；当50＜H净＜100时，D=（0.799～0.715）。在小型泵站的各种管路附件中，底阀的阻力系数最大，大约占进水管路损失的50%～70%，占进出水管总能耗的10%～50%。因此，应当取消底阀，改为采用抽真空或简易充水装置。
解决管路转弯水头损失的主要途径是避免水流走向突变，减少脱壁旋涡和二次流动。①采用阻力系数更小的椭圆弯管；②对于折管采用2次或多次转折的弯管以减小阻力损失；③可采用曲率半径和断面渐变的弯管。
水泵进水管常常大于进口管径，通过收缩管连接。为了减小损失，要避免使用突变渐缩管，而应采用流线型渐缩管，以改善水流条件，有效控制收缩角减少能耗。
（2）出水管路的节能。出水管路的节能主要从合理使用阀件、合理选取出口形式上来解决。在选用阀件时，应当考虑以下因素。①逆止阀（止回阀），该阀不仅在运行时会造成局部水头损失，而且在停机时还会引起水锤压力，从而对管路及水泵造成破坏。节制回流阀、微阻缓闭止回阀、液压自控蝶阀等节能型止回阀的能耗小、水锤小，可优先选用。②拍门。大多使用铸铁拍门开启角度一般在40°左右，所造成的损失大约占电动机输入功率的2%～3%。对低扬程泵站，拍门的水头损失达9%，不宜使用拍门。对使用拍门断流方式的泵站，宜选用节能型自由侧翻式拍门，它具有结构简单、寿命长、开启角度大、密封好、节能明显的优点。研究表明，在出水口局部采用渐扩管，效率可提高3%以上。因此，只需在出水管口处装一段浙扩管就能提高出水管的效能。同时，应改“高射炮”出流为淹没出流。
3.1.7进出水建筑物及输水河渠的节能
前池设计尽可能采用正向进水，其节能措施一般采用立柱分流，设置导流板，适当部位设置底坎，以改善流态等。
进水池的节能措施主要是针对消除环流和涡流2个方面。
（1）消除环流的主要措施。水泵和进水管位于进水池中心线，保证水流对称；使管口尽量靠近后墙；管后设水下隔板或隔柱；管口以下的池底上设横向或纵向隔板。
（2）消除涡流的主要措施。加大喇叭口和进水管直径，减小管口流速；增设水上盖板、水下盖板、水下盖箱、导水锥等。
对出水池的节能措施，主要包括以下几个方面。
（1）出水池尽量采用正向出水，确保水流平顺，耗能少；
（2）出流形式上，对淹没出水要设法取消逆止阀并减小拍门阻力，对自由出水要尽可能降低出水管高程、避免高射炮出流，对虹吸式出流要尽量避免真空阀漏气。
拦污栅的节能措施，主要包括以下几个方面。
（1）栅叶要采用流线型，使其具有较好的振动响应特性和阻力特性，栅条净距以不大于10cm为宜；
（2）布置方式最好是在距泵站50～80m范围内设置专门的拦污栅桥，断面较大、流速低、污物分散，而且利于清污，过栅损失小。
输水渠（河）节能主要从减小输水渠的沿程和局部水力损失与河渠水量损失两方面着手。
3.2泵站管理中的节能措施
3.2.1输变电系统及动力机运行中的节能
（1）线路联接处使用电力复合脂。用电力复合脂涂敷在设备母线、汇流排搭接面、导线接头、开关的动静触头表面，可以防止接触表面的各种腐蚀，增大实际导电接触面，降低接触电阻约25%～95%，提高导电性能，降低能耗。
（2）控制运用中应当尽量避免连续启动。连续启动会导致输电线路因发热而增加电阻率，从而增大线路压降，增加线路能耗。
（3）电动机的调速运行。由于进出水池水位的经常变动、水泵选型不当等原因，会造成电动机不在高效区运行。为此可以采用调速运行的办法使机组在高效区运行，达到节能的目的。
3.2.2皮带传动方式在运行中的节能
在机组的运行过程中，皮带的松弛会降低水泵的转速。根据比律率可知，若因皮带松弛使水泵降速10%，则水泵流量、扬程将会分别降低10%和19%，从而导致泵站无法满足调水需求。根据皮带滑移率与传动效率的关系，皮带张力在正常情况下时，滑率在（0.5～1）%左右，传动效率达96%以上；当皮带松弛，滑移率增至4%和8%时，传动效率分别降至92%和84%。所以，在泵站运行时，应当及时调整皮带的松紧度，降低滑移率。但是皮带过紧也会增加皮带的动力损失和皮带温升，缩短皮带寿命。
3.2.3水泵运行管理中的节能
在水泵的运行管理中，可以从以下几个方面来抓好节能方面的工作。
（1）注重对水泵的维修，及时更换磨损件。叶轮磨损会使水泵性能发生变化，降低水泵效率，因此应加强对其进行检查维护，及时修复汽蚀部位，力求水泵在高效区运行。
（2）控制密封间隙。对磨损严重、失去弹性的填料函要及时更新；对因汽蚀和磨损等因素造成的密封环破损，要采取粘贴耐磨橡胶来缓冲气泡爆破冲击力，减轻汽蚀和泥沙磨蚀的办法，起到节能作用。
3.2.4管路运行管理中的节能
（1）加强管路巡查与维护，确保管路密封性能。伸缩缝止水破坏或管路破裂时在负压处会使空气进入管道，在正压处管路水会向外渗漏，不仅降低效率，而且也会引起机组振动。因此要加强巡查，发现管路缺陷要及时修复，以减小能耗。
（2）运行时出水管路上闸阀要全开，不能用改变闸阀门开度的办法来调节流量。
3.2.5进出水建筑物运行管理中的节能
（1）运行调度确保对称运行。机组不对称运行时会引起进水池主流偏斜，产生不对称扩散。因此，当泵站机组较多时，应采取对称开机，改善进水流态。
（2）及时清除进水池及拦污栅前的污物。进水池中的杂草等漂浮物会阻碍水体流动，使水泵效率下降5%～10%；前池淤积会影响装置效率5%～8%，而且容易导致水量不足、流态不顺、水泵汽蚀，装置效率下降，缩短水力机械寿命。拦污栅前集聚的污物更会恶化进水流态、减少水泵淹没水深、加剧水泵汽蚀等。总之，拦污栅前漂浮物的沉积是影响泵站运行效率的主要因素，应当及时对进水池及拦污栅上污物进行清理，对池中淤积进行清淤。
4结语
综上所述，小型泵站的效能直接影响到小型泵站的运行效益，与小型泵站功能的充分发挥息息相关。因此，要对小型泵站的效能影响因素进行分析，从规划、设计、管理等方面出发，采取有效的措施增加小型也不过那种的运行效率，降低泵站运行的能耗，从而促进小型泵站的可持续发展。
参考文献：
[1]泵站节能降耗的研究及实际应用[J].康宁东，马华明.黑龙江科技信息.2015（35）
[2]实测泵站能耗分析与节能途径探讨[J].李辉.水利建设与管理.2014（11）